4
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ
СПЕЦИАЛЬНОСТЬ « Управление качеством »
К У Р С О В А Я Р А Б О Т А
По предмету: ”Материаловедение”
Тема: “ Алюминий ”
Выполнил:
Студент __1__ курса
_____2______ семестр
,2011
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Характерные физические свойства
2. Методы получения
3. Применение алюминия
4. Боксит, добыча
5. Сплавы алюминия
6. Упрочняемые сплавы
7. Алюминиевая промышленность
8. Медьи ее сплавы
Список используемой литературы
Введение
Алюминий - самый распространённый металл, его содержание в земной коре оценивают в 7.45 % (больше, чем железа, которого только 4.2 %). Алюминий был открыт недавно Велером в 1827 году действием металлического калия на хлорид алюминия. Начало его промышленного освоения относится к концу прошлого столетия. Толчком к этому послужила разработка в 1886 г. способа его получения путем электролиза глинозема, растворенного в криолите. Принцип способа лежит в основе современного промышленного извлечения алюминия из глинозема во всех странах мира. По внешнему виду алюминий, блестящий серебристый белый металл. На воздухе он быстро окисляется, покрываясь тонкой белой матовой пленкой Al O . Эта пленка обладает высокими защитными свойствами, поэтому, будучи покрытым такой пленкой, алюминий является коррозионностойким. Алюминий достаточно легко разрушается растворами едких щелочей, соляной и серной кислот. В концентрированной азотной кислоте и органических кислотах он обладает высокой стойкостью.
1. Характерные физические свойства
Характерными физическими свойствами алюминия является его малая относительная плотность, равная 2.7, а также сравнительно высокие тепло- и электропроводность. При 0 C удельная электропроводность алюминия, т.е. электропроводность алюминиевой проволоки сечением 1 мм и длиной 1 м равна 37 1 ом. Коррозионная стойкость и особенно электропроводность алюминия тем выше, чем он чище, чем меньше в нем примесей. Температура плавления алюминия невысокая, она равна приблизительно 660 C. Однако скрытая теплота плавления его очень большая-около 100 кал г, поэтому для расплавления алюминия требуется большой расход тепла, чем для расплавления такого же количества, например, тугоплавкой меди, у которой температура плавления 1083 C, скрытая теплота плавления 43 кал г. Алюминий в природе находится в виде алюминиевых руд: бокситов, нефелинов, алунитов и каолинов. Важнейшей рудой, на которой базируется большая часть мировой алюминиевой промышленности, являются бокситы. Алюминий получают из руд состоящий из двух последовательно проводимых этапов-сначала производят глинозем (Al O ), а затем из него получают алюминий. Для механических свойств алюминия характерна большая пластичность и малая прочность. Прокатанный и отожженный алюминий имеет =10 кГ мм, а твердость НВ25, =80% и =35%. Кристаллическая решетка алюминия представляет собой гранецентрированный куб, имеющий при 20 C параметр (размер стороны) 4.04 . Аллотропических превращений алюминий не имеет.
2. Методы получения
В настоящее время известны методы получения глинозема можно разбить на три группы: щелочные, кислотные и электротермические. Широкое применение получили щелочные методы. В одних разновидностях щелочных методов боксит, обезвоженный при 1000 C, измельчают в шаровых мельницах, смешивают в определенных пропорциях с мелом и содой и спекают для получения растворимого в воде твердого алюмината натрия по реакции
Al O + Na CO = Al O Na O + CO .
Спекшуюся массу измельчают и выщелачивают водой, алюминат натрия при этом переходит в раствор. В других разновидностях щелочного метода глинозем, содержащийся в боксите, связывают в алюминат натрия путем непосредственной обработки руды щелочами. При этом сразу получается раствор алюмината в воде. В обоих случаях образование водного раствора алюмината натрия приводит к отделению его от нерастворимых компонентов руды, представляющих собой в основном окиси и гидроокиси кремния, железа и титана. Отделение раствора от нерастворимого осадка, называемого красным шламом, осуществляют в отстойниках. В полученный раствор при 125 C и давлении 5 ам добавляют известь, что приводит к обескремниванию - CaSiO уходит в осадок, образуя белый шлам. Очищенный от кремния раствор после отделения его от белого шлама обрабатывают углекислым газом при 60-80 C, в результате чего в осадок выпадает кристаллический гидрат окиси алюминия:
Al O Na O + 3H O + CO = 2Al(OH) + Na CO .
Его промывают, просушивают и прокаливают. Прокаливание приводит к образованию глинозема:
2Al(OH) = Al O + 3H O .
Описанный способ обеспечивает довольно полное извлечение глинозема из боксита-около 80%. Получение металлического алюминия из глинозема заключается в его электролитическом разложении на составные части-на алюминий и кислород. Электролитом в этом процессе является раствор глинозема в криолите (AlF 3NaF). Криолит, обладая способностью растворять глинозем, одновременно снижает его температуру плавления. Глинозем плавится при температуре около 2000 C, а температура плавления раствора, состоящего, например, из 85 % криолита и 15 % глинозема, равна 935 C. Схема электролиза глинозема достаточно проста, но технологически этот процесс сложный и требует больших затрат электроэнергии. В поду ванны с хорошей теплоизоляцией 1 и угольной набивкой 2 заложены катодные шины 3, соединенные с отрицательным полюсом источника электрического тока. К анодной шине 4 присоединены электроды 5. Перед началом электролиза на дно ванны насыпают тонкий слой кокса, электроды опускают до соприкосновения с ним и включают ток. Когда угольная набивка накалится, постепенно вводят криолит. При толщине слоя расплавленного криолита, равной 200-300 мм, загружают глинозем из расчета 15% к количеству криолита. Процесс происходит при 950-1000 C. Под действием электрического тока глинозем разлагается алюминий и кислород. Жидкий алюминий 6 скапливается на угольной подине (дно угольной ванны), являющейся катодом, а кислород соединяется с углеродом анодов, постепенно сжигая их. Криолит расходуется незначительно. Глинозем периодически добавляют, электроды для компенсации сгоревшей части постепенно опускают вниз, а накопившийся жидкий алюминий через определенные промежутки времени выпускают в ковш. При электролизе на 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема, 0.6 т угольных электродов, служащих анодами, 0.1 т криолита и от 17000 до 18000 квт ч электроэнергии. Полученный при электролизе глинозема алюминий-сырец содержит металлические примеси (железо, кремний, титан и натрий), растворенные газы, главным из которых является водород, и неметаллические включения, представляющие собой частицы глинозема, угля и криолита. В таком состоянии он непригоден для применения, так как имеет низкие свойства, поэтому его обязательно подвергают рафинированию. Неметаллические и газообразные примеси удаляют путем переплавки и продувки металла хлором. Металлические примеси можно удалить только сложными электролитическими способами. После рафинирования получают торговые сорта алюминия. Чистота алюминия является решающим показателем, влияющим на все его свойства, поэтому химический состав положен в основу классификации алюминия. Неизбежными примесями, получающимися при производстве алюминия, являются железо и кремний. Обе они в алюминии вредны. Железо не растворяется в алюминии, а образует с ним хрупкие химические соединения FeAl и Fe Al . С кремнием алюминий образует эвтектическую механическую смесь при 11.7% Si. Поскольку растворимость кремния при комнатной температуре очень мала (0.05%), то даже при его незначительном количестве он образует эвтетику Fe+Si и включения очень твердых (НВ 800) хрупких кристалликов кремния, которые снижают пластичность алюминия. При совместном присутствии кремния и железа образуется тройное химическое соединение и тройная эвтектика, тоже понижающие пластичность. У нас в стране в зависимости от количества примесей установлены тринадцать марок алюминия, выпускаемых промышленностью.
Чистота алюминия разных марок
Группа чистоты | Марка | Содержание алюминия, % не менее | | Группа | чистоты | | Марка | Содержание алюминия, % не менее |
Особой чистоты | А999 | 99.999 | | | Техни- | ческой | чистоты | | | | | А85 А8 А7 А6 А5 А0 А АЕ | 99.85 99.80 99.70 99.60 99.50 99.00 99.00 99.50 |
Высокой чистоты | А995 А99 А97 А95 | 99.995 99.99 99.97 99.95 |
Контролируемыми примесями в алюминии являются железо, кремний, медь и титан. Алюминий всех марок содержит более 99 % Al. Количественное же превышение этой величины в сотых или десятых долях процента указывают в названии марки после начальной буквы А. Так, в марке А85 содержится 99.85 % Al. Исключение из этого принципа маркировки составляют марки А АЕ, в которых содержание алюминия такое же, как в марках А0 и А5, но другое соотношение входящих в состав примесей железа и кремния. Буква Е в марке АЕ означает, что алюминий данной марки предназначается для производства электропроводов. Дополнительным требованием к свойствам алюминия является низкое электросопротивление, которое для проволоки, изготовленной из него, должно быть не более 0.0280 ом мм м при 20 C.
3. Применение алюминия
Алюминий применяют для производства из него изделий и сплавов на его основе, свойства которых требуют большой степени его чистоты. В зависимости от назначения алюминий можно производить в различном виде. Алюминий всех марок (высокой и технической чистоты), предназначенный для переплавки, отливают в виде чушек массой 5; 15 и 1000 кг. Их предельные величины следущие: высота от 60 до 600 мм, ширина от 93 до 800 мм и длина от 415 до 1000 мм. Если же алюминий предназначается для проката листа и ленты, то непрерывным или полу непрерывным методом отливают плоские слитки семнадцати размеров. Толщина их колеблется в пределах от 140 до 400 мм, ширина-от 560 до 2025 мм, а масса 1 м длины слитка-от 210 до 2190 кг. Длину слитка согласовывают с заказчиком. Основным видом контроля алюминия как в чушках, так и в плоских слитках, является проверка химического состава и его соответствие марочному. К чушкам и слиткам, предназначенным для обработки давлением, предъявляют дополнительные требования, такие, например, как отсутствие раковин, газовых пузырей, трещин, шлаковых и других посторонних включений. Для раскисления стали в процессе ее выплавки, а также для производства ферросплавов и для алюмотермии можно применять более дешевый алюминий меньшей чистоты, чем это указано таблице "Чистота алюминия разных марок". Для этой цели промышленность выпускает шесть марок алюминия в чушках массой от 3 до 16.5 кг, содержащих от 98.0 до 87.0 % Al. В них содержание железа достигает 2.5 %, а кремния и меди до 5 % каждого. Применение алюминия обусловлено особенностью его свойств. Сочетание легкости с достаточно высокой электропроводностью позволяет применять алюминий как проводник электрического тока, заменяя им более дорогую медь. Разницу в электропроводности меди (63 1 ом) и алюминия (37 1 ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевого провода. Малая масса алюминиевых проводов делает возможным осуществлять их подвеску при значительно большем, чем в случае медных проводов, расстоянии между опорами, не опасаясь обрыва проводов под влиянием собственного веса. Из него изготовляют также кабели, шины, конденсаторы, выпрямители. Высокая коррозионная стойкость алюминия делает его в ряде случаев незаменимым материалом в химическом машиностроении, например для изготовления аппаратуры, применяющейся при производстве, хранении и перевозке азотной кислоты и ее производных. Широко его применяют также в пищевой промышленности-из него изготовляют разнообразную посуду для приготовления пищи. При этом используют не только его стойкость к действию органических кислот, но также и высокую теплопроводность. Высокая пластичность позволяет раскатывать алюминий в фольгу, которая в настоящее время полностью заменила применявшуюся ранее более дорогую оловянную фольгу. Фольга служит упаковкой для самых разнообразных пищевых продуктов: чая, шоколада, табака, сыра и др. Алюминий применяют так же, как антикоррозионное покрытие других металлов и сплавов. Его можно наносить плакированием, диффузионной металлизацией и другими способами, включая покраску алюминий содержащими красками и лаками. Особенно сильно распространено плакирование алюминием плоского проката из менее коррозионно-устойчивых алюминиевых сплавов. Химическую активность алюминия по отношению к кислороду используют для раскисления при производстве полуспокойной и спокойной стали и для получения трудно восстановимых металлов путем вытеснения алюминием из их кислородных соединений. Алюминий применяют как легирующий элемент в самых различных сталях и сплавах. Он придает им специфические свойства. Так например, он повышает жаростойкость сплавов на основе железа, меди, титана и некоторых других металлов. Можно назвать и иные области применения алюминия различной степени чистоты, но самое большое его количество расходуют на получение различных легких сплавов на его основе. Сведения о главных из них приведены ниже. В целом применение алюминия в различных отраслях хозяйства на примере развитых капстран оценивают следующими цифрами: транспортное машиностроение 20-23% (в том числе автомобилестроение 15%), строительство 17-18%, электротехника 10-12%, производство упаковочных материалов 9-10%, производство потребительских товаров длительного пользования 9-10%, общее машиностроение 8-10%. Алюминий завоевывает все новые области применения, несмотря на конкуренцию других материалов и особенно пластмасс. Основными промышленными рудами, содержащими алюминий, являются боксит, нефелин, алунит и каолин. Качество этих руд оценивают по содержанию в них глинозема Al O , который содержит 53% Al. Из других показателей качества алюминиевых руд наиболее важным является состав примесей, вредность и полезность которых определяются применением руды.
4. Боксит, добыча.
Б о к с и т является лучшим и во всем мире основным сырьем для получения алюминия. Его используют также для производства искусственного корунда, высокоогнеупорных изделий и для других назначений. По химическому составу эта осадочная горная порода представляет собой смесь гидратов глинозема Al O nH O с окислами железа, кремния, титана и других элементов. Наиболее распространенными гидратами глинозема, входящими в состав бокситов, являются минералы: диаспор, бемит и гидрар-геллит. Содержание глинозема в боксите даже в одном месторождении колеблется в очень широких пределах-от 35 до 70%. Входящие в состав боксита минералы образуют очень тонкую смесь, что затрудняет обогащение. В промышленности в основном применяют сырую руду. Процесс извлечения алюминия из руды сложный, очень энергоемкий и состоит из двух стадий: сначала извлекают глинозем, а затем из него получают алюминий. Предметом мировой торговли является как сам боксит, так и извлеченный из него или других руд глинозем. На территории СНГ залежи бокситов распределены неравномерно, и бокситы разных месторождений неравноценны по качеству. Месторождения наиболее высококачественных бокситов находятся на Урале. Большие запасы бокситов имеются также в Европейской части СНГ и в Западном Казахстане. Из индустриально развитых стран ныне практически обеспечена лишь Франция, где впервые началась его разработка. Его достоверные и вероятные запасы в этой группе государств в 1975 г. оценивались в 4.8 млрд. т (в том числе в Австралии 4.6 млрд. т), тогда как в развивающихся странах в 12.5 млрд. т, в основном в Африке и Латинской Америке (самые богатые-Гвинея, Камерун, Бразилия, Ямайка). За послевоенное время резко расширился круг стран, где ведется добыча боксита и производится первичный алюминий. В 1950 г. боксит добывали лишь в 11 странах, не считая СССР, в том числе в трех в количестве свыше 1 млн. т (Суринам, Гайяна, США) и в четырех более по 0.1 млн. т (Франция, Индонезия, Италия, Гана). К 1977 г. обьем добычи возрос в 12 раз и резко изменилась ее география (более половины добычи капиталистического мира приходилось на развивающиеся страны). В отличие от развивающихся стран, богатая топливом Австралия большую часть добываемых бокситов (в основном на полуострове Иорк-в крупнейшем бокситовом месторождении мира) перерабатывает в глинозем, играя решающую роль в его мировом экспорте. Не пример ей, страны бассейна Карибского моря и западноафриканские вывозят преимущественно боксит. В этом сказывается как причины политического характера (мировым алюминиевым монополиям предпочтительнее производство глинозема за пределами боксит добывающих, зависимых от них стран), так и чисто экономические: бокситы, в отличие от руд тяжелых цветных металлов, транспортабельны (содержат 35-65 % двуокиси алюминия), а глиноземное производство требует значительных удельных расходов, которым не располагает подавляющая часть бокситодобывающих стран. Стремясь противостоять диктату мировых алюминиевых монополий боксит экспортирующие страны в 1973 г. создали организацию "Международная ассоциация бокситодобывающих стран" (МАБС). В нее вошли Австралия, Гвинея, Гайана, Ямайка, а также Югославия; позднее к ней присоединились Доминиканская республика, Гаити, Гана, Сьерра-Леоне, Суринам, а Греция и Индия стали странами-наблюдателями. На год создания на долю этих государств приходилось примерно 85 % добычи бокситов в несоциалистических государствах. Для алюминиевой промышленности характерен территориальный разрыв как между добычей боксита и производством глинозема, так и между последним и выплавкой первичного алюминия. Крупнейшие производства глинозема (до 1-1.3 млн. т год) локализованы как при алюминиевых заводах (например, при канадском заводе в Арвида в Квебеке, занимающем по производственной мощности-0.4 млн. т алюминия в год), так и в бокситоэкспортирующих портах (например, Паранам в Суринаме), а также на путях следования боксита от вторых к первым-например в США на побережье Мексиканского залива (Корпус-Кристи, Пойнт-Комфорт). У нас в стране все добываемые бокситы разделены на десять марок. Основное различие между бокситами разных марок состоит в том, что они содержат разное количество основного извлекаемого компонента-глинозема и имеют разную величину кремниевого модуля, т.е. разное содержание глинозема к содержанию вредной в бокситах примеси кремнезема (Al O SiO ). Кремниевый модуль является очень важным показателем качества бокситов, от него в сильной мере зависят их применение и технология переработки. Основные показатели качества бокситов всех десяти марок приведены в таблице. Там же указано и преимущественное применение бокситов разных марок.